?? 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks）是由大量節點組成的面向任務的分布式網絡，綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信、分布式信息處理等多領域技術，通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監測，由嵌入式微處理器對信息進行加工處理，并通過無線通信網絡將信息傳送至遠程用戶。在國防安全、工農業領域各種控制、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等許多領域都有重要的科研價值和實用價值，具有十分廣闊的應用前景。

??? 無線傳感器網絡作為信息領域的一個全新的方向，已經引起了學術界和工業界的廣泛關注[i]。國外的許多大學和研究機構紛紛投入了大量的研發力量從事無線傳感器網絡軟硬件系統的研究工作，最具代表性的是美國加州大學伯克利分校（UC/Berkeley）和英特爾公司（Intel）聯合成立的“智能塵埃(Smart Dust)”實驗室[ii]，它的目標是為美國軍方提供能夠在一立方毫米的體積內自治地完成感知和通信功能的設備原型系統(Autonomous sensing and communication in a cubic millimeter)，也就是無線傳感器網絡節點的研制。這項工作從1998年開始到2001年結束，受到了美國國防預先研究計劃局（DARPA：The Defense Advanced Research Projects Agency）的支持。在隨后的幾年里，加州大學伯克利分校有多個實驗室開始了關于無線傳感器網絡及其相關的工作，如：NEST(Network Embedded Systems Technology)[iii]、WEBS(Wireless Embeded system)[iv]、BARWAN (Bay Area Research Wireless Access Network)[v]、BWRC(Berkeley Wireless Research Center)[vi]等實驗室，從不同的角度對無線傳感器網絡進行了大量具有開創性的研究。

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??? 美國很多大學在無線傳感器網絡方面開展了大量工作。如加州大學洛杉磯分校（UCLA）的CENS（Center for Embedded Networked Sensing)實驗室[vii]、WINS(Wireless Integrated Network Sensors)實驗室[viii]、NESL（Networked and Embedded Systems Laboratory）實驗室[ix]、LECS（Laboratory for Embedded Collaborative Systems）實驗室[x]、IRL（Internet Research Lab)[xi]等。另外，麻省理工學院（MIT）獲得了ARPA的支持，從事著極低功耗的無線傳感器網絡方面的研究，被業界廣泛關注的SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）協議也是出自MIT[xii,xiii]；奧本大學（Auburn University）也獲得DARPA支持，從事了大量關于自組織傳感器網絡方面的研究，并完成了一些實驗系統的研制[xiv]； 賓漢頓大學（Binghamton University）計算機系統研究實驗室在移動自組織網絡協議、傳感器網絡系統的應用層設計等方面做了很多研究工作[xv]；州立克利夫蘭大學（俄亥俄州）（Cleveland State University, Ohio –CSU Ohio）的移動計算實驗室在基于IP的移動網絡和自組織網絡方面結合無線傳感器網絡技術進行了研究[xvi]。另外，北亞利桑那大學（Northern Arizona University）的無線網絡研究實驗室（Wireless Network Research Lab, WNRL)[xvii]、萊斯大學（Rice University）

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??? 多媒體通信實驗室的無線個人局域網工作組[xviii]；斯坦福（Stanford）大學的無線傳感器網絡實驗室[xix]、新澤西（New Jersey）州立大學的無線傳感器網絡實驗室[xx]、伊利諾伊大學厄本那－香檳分校（UIUC）的TIMELY實驗室[xxi]、南加州大學的RESL（The Robotic Embedded Systems Laboratory）實驗室[xxii]、佛蒙特大學(University of Vermont)的無線自組織網絡實驗室[xxiii]、西密西根大學（Western Michigan University）的無線傳感器網絡實驗室[xxiv]。此外新加坡國立大學（NUS）的無線傳感器網絡實驗室[xxv]等也有關于無線傳感器網絡方面的研究。

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??? 國內在無線傳感器網絡領域的研究也已經在很多研究所和高校展開。中科院上海微系統所[xxvi]憑借其在微系統和微型機電系統（MEMS1）技術方面良好的基礎，自從1998年就對無線傳感器網絡進行了跟蹤和研究，已經通過系統集成的方式完成了一些終端節點和基站的研發。他們的很多工作都是與CDMA2和GPS3技術相關，從某種程度上說已經超越了無線傳感器網絡技術；中科院電子所和沈陽自動化所也分別從傳感器技術和控制技術角度入手開展工作，他們專注于傳感或控制執行部分，對上層的通信技術和核心微處理器部分涉及較少；浙江大學現代控制工程研究所成立了“無線傳感器網絡控制實驗室”[xxvii]，聯合相關單位專門從事面向傳感器網絡的分布自治系統關鍵技術及協調控制理論方面的研究；山東省科學院[xxviii]于2004年10月正式啟動了關于無線傳感器網絡節點操作系統的研究；另外中科院軟件所、中科院自動化所、國防科技大學、清華大學、中國科學技術大學、哈爾濱工業大學、北京郵電大學、山東大學、東南大學等單位在無線傳感器網絡方面也都有一定的工作。從研究問題的深度和投入的科研力量來說，國內的水平相對國外落后，在點上的研究較多，缺少對整個系統的創新性研究，具有自主知識產權較少。

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??? 由于無線傳感器網絡的硬件系統主要包括傳感器、處理和通信三個部分，跨越多個領域，而且國際上對無線傳感網絡領域的研究也只有短短的幾年時間，現有的絕大部分研究和設計都是各領域的成熟模塊的板級集成，并沒有使用專用的處理芯片，在系統功耗、芯片面積、節點面積、處理能力、程序空間、數據空間等方面都受到了極大的限制。目前的工作有必要從無線傳感網絡應用的實際需求出發，開發出專用的核心片上系統芯片，并進一步集成傳感器、射頻通信、功耗管理及其他專用功能，從而滿足無線傳感網絡的各種應用需求。中科院計算所的工作就是在此基礎上展開的，目的是通過對以上各種無線傳感器網絡及節點的詳盡研究，設計出具有自主知識產權的無線傳感器網絡微處理器芯片和節點，進一步組建無線傳感器網絡。

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2 無線傳感網絡微處理器芯片

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??? 無線傳感器網絡的一個重要優勢是擺脫了傳統傳感器網絡的連線限制，解決了成本問題，通過傳感器技術、計算技術和無線通信技術的融合，大大縮短了人和自然之間的距離。電源效率是無線傳感網絡節點設計考慮的關鍵因素。因為如果必須時常更換電池（例如每周或每月），那么相關的各種成本便會超過它相對有線網絡節省的成本。因此，電池必須具有較長的壽命（通常1-5年）。此外，由于無線傳感器網絡的理念是“隨時隨地無線”和“隨時隨地感知”，減小節點尺寸也是必須考慮的設計要素。對傳感器節點來說，很多時候即使采用AA電池也會超出體積要求，因此最好能選擇紐扣式電池供電。但在特定的應用背景下，直接使用現有的芯片或者現在市場上已經存在的系統根本不能滿足未來千變萬化紛繁復雜的應用要求，因此我們有必要在具有自主知識產權的專用處理芯片的開發、軟硬件系統的研制方面開展工作。

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??? 微處理器芯片是無線傳感器網絡節點的核心部件。世界半導體貿易統計數據藍皮書中的統計報告顯示，2001年英特爾、AMD、IBM、Motorola等四家芯片巨頭生產的通用處理器按片數銷售量計算僅占處理器市場份額的6%，余下的94%，即50億片芯片均為嵌入式微處理器 。統計數字表明，平均每個美國家庭擁有大約60片嵌入式處理器。目前，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000多種，流行體系結構有30多個系列，國內主要市場被國外產品占領。無線傳感網絡對嵌入式處理器提出了功耗、面積、專用接口等諸多新的需求，現有的微處理器芯片開始顯得捉襟見肘，應用呼喚用于無線傳感器網絡的專用的微處理器芯片。因應這一形勢，我們針對大部分嵌入式處理器的特點，面向無線傳感網絡的具體應用，開始研發具有極低功耗的微處理器芯片。

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3 潛在市場分析

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????無線傳感器網絡存在著巨大的商業前景，也開始成為商家爭相投資的對象，并且涌現出了很多專門從事無線傳感器網絡及相關產業的公司。其中首推Crossbow公司[xxix]和DUST公司[xxx]，它們都是由加州大學伯克利分校技術發展而來。前者主要針對航空電子、交通運輸、無人探測、環境監控、測控測量等具體應用承接定制相應無線傳感器網絡節點和應用方案；后者主要提供了可靠的、可管理的和易于安裝的SmartMesh? [xxxi]傳感器互聯方案，該網絡方案被Red Herring組織評為2004年度TOP100發明獎。Ember公司[xxxii]提供了與IEEE 802.15.4/ZigBee兼容的射頻芯片及相應的軟件和開發工具的服務。Luna iMonitoring公司[xxxiii]主要提供關于壓力、液位、電量等無線智能監測技術及相應的硬件設備。MicroStrain公司[xxxiv]基于無線傳感器網絡技術提供了在航空航天、國防、汽車電子、城市工程、生物制造等方面的應用。其它類似的公司還有Millennial Net、Sensoria Corp.、Xsilogy等。另外，IBM、英特爾等公司也十分看好無線傳感器網絡這一新興領域，并開始進行與之相關的理論研究和產品開發。這些公司基本上還是處于技術積累和產品研發階段，暫時還沒有公司能夠真正進入市場并盈利。

??? 嵌入式微處理器本身的市場也是巨大的。據Gartner Dataquest調查結果，2000年嵌入式微處理器芯片的市場規模為38億美元。2001年，在全世界嵌入式系統帶來的工業年產值已超過1萬億美元；我國的嵌入式微處理器芯片的市場需求量已達1-3億片，近幾年來，每年以大約20%的速度在飛速增長，遠遠超過了通用處理器市場，低功耗微處理器具有廣闊的市場空間和應用前景。

4 低功耗微處理器設計

??? 中科院計算所正致力于具有自主知識產權的低功耗嵌入式微處理器的研發工作，在基于事件隊列的消息處理機制、面向無線傳感器網絡應用的硬件加密、軟硬件協同的動態功耗管理機制、事件驅動的嵌入式實時操作系統、基于調用圖的全局編譯優化機制等方面取得了一定的進展。同時，在無線傳感網絡的軟硬件系統中的關鍵技術方面進行了一定的研究與開發工作，已推出無線傳感器網絡節點原型系統。

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4.1 低功耗微處理器結構圖

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??? 無線傳感器網絡節點的硬件一般包括傳感器﹑微處理器和無線收發器等三個功能部分，其中微處理器是核心處理部件，提供了整個系統的計算資源和存儲資源。出于低功耗設計及無線傳感器網絡在硬件資源需求上的考慮，該處理器采用的是單發射順序執行、標準五級流水、指令總線與數據總線分離的RISC4系統架構。如圖1所示，指令總線的寬度均為16位。我們根據應用需要定制了8位和16位兩種數據總線。系統總線左邊為處理器部分，它包括算術邏輯單元、指令和數據存儲器、32個通用寄存器、程序指針及堆棧指針等；在圖的右邊為SPI5、UART6、I2C7等通用接口，以滿足和不同外設進行互聯的需要；另外還有功耗管理協處理器、消息管理協處理器、TimerCounter、ADC8等功能模塊。需要說明的是，圖1僅僅給出了主要計算資源的框圖，不包括功耗管理機制和硬件加密部分。

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圖1 低功耗微處理器主要計算資源

????我們設計的低功耗微處理器包含了113條指令，其中絕大部分都是16位定長指令，也有部分為32位，主要為長跳轉指令、函數調用指令和帶有立即數的Load/Store指令。這些指令可以分為以下五種類型：第一、標準RISC指令，包括各種算術運算指令、邏輯運算指令、跳轉指令等，是微處理器的主要計算資源；第二、加密專用指令，包括：隨機數發生器、DES9、RSA10、AES11、指紋產生等，是無線傳感器網絡保密通信及系統安全的重要保證，也是本款芯片的特點所在；第三、睡眠模式設置指令，通過軟硬件協同的方式來達到對系統功耗進行有效的管理；第四、與射頻通信及傳感數據采集相關的指令，特別是通信協議實現部分，很大程度上提高了通信性能，這些指令突出體現了微處理器作為核心部件的作用；第五、事件驅動專用指令，主要用于消息隊列的設置與管理、動態功耗管理策略設置等。

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??? 低功耗技術貫穿于無線傳感器網絡節點軟硬件設計的始終，不但體現在應用軟件設計、通信協議、嵌入式操作系統及編譯器中，更體現在我們硬件設計的各個層次中。我們所使用的低功耗設計技術包括：基于事件消息隊列驅動的低功耗微處理器系統架構、采用通路平衡實現低功耗高速乘法器、指令集的低功耗編碼、能量自適應組網模式、低功耗偵聽技術（MAC12層）、動態功耗管理機制、芯片工作頻率可通過軟件設置等 。

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4.2 硬件加密協處理器

??? 保密通信和系統安全是無線傳感器網絡的重要內容，這樣硬件加解密也就成為低功耗微處理器設計的重要功能組成。廣義上的網絡安全主要包括：保密性、數據完整性、可用性、非偽裝性、反抵賴性等，我們這里的安全性主要有用戶級和系統級兩個方面：用戶級一般通過對稱或非對稱密鑰加密；系統級安全性和隱私性主要體現在IP及MAC層，它們也是系統可靠性及可信性的保證。另外，我們還將在微處理器中實現硬件加密指令，主要包括：隨機數發生器、DES、RSA、AES、指紋產生等功能模塊。我們的主要創新之處在于對加密算法，特別是密鑰的產生機制的進一步研究。

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??? 網絡安全一般是通過對稱和非對稱加密體系來保證的。對于非對稱密碼算法，我們的目標是：根據硬件計算資源的有限和低功耗的特性，使設計的算法快速、安全。為此，我們打算進一步研究中國剩余定理和不定方程，構造出NP13問題，由此設計出非對稱密碼算法。在這方面，我們已研究過利用對稱群和非對稱群，構造出一個非對稱密碼算法，下一步需要進一步對該算法進行研究，分析它的安全性并進一步優化，在更廣泛的范圍內研究其攻擊方法，以使它能抵抗各種攻擊，最后在硬件上實現。

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??? 圖2是我們所使用的硬件加密協處理器結構框圖，其數據地址總線直接和低功耗微處理器相聯，主控制器為整個協處理器的核心，配置器可以通過外部設置各種參數來達到對加密算法的修訂，密鑰產生器在主控制器的配合下，給加密引擎產生密鑰。加密引擎是核心計算部件，其中集成了AES、DES、RSA等最常用的加密算法，還有DIG（消息摘要）、RND（隨機數）等基本運算。它們是實現以上對稱和非對稱加密體系的基礎，也是我們用戶級和系統級數據安全的重要保證。通過硬件加密技術，可以獲得更好的加密效率。

4.3 軟硬件協同的動態功耗管理

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??? 動態功耗管理（Dynamic Power Management）策略可廣泛使用于手機、筆記本電腦、PDA等電池供電的移動設備的低功耗設計，這些應用的核心處理部件設計了可以在功耗和性能之間進行不同折中選擇的多種系統狀態。功耗管理單元根據系統應用對處理資源的變化，動態地讓硬件系統在這些不同的狀態之間進行切換，從而在保證給用戶提供必要的性能的同時，可以很大程度上降低功耗。圖3是兩狀態系統的動態功耗管理一般原理圖。外部不同應用的服務請求輸入給硬件系統形成任務隊列。在沒有功耗管理的系統中這些任務直接交由計算資源進行處理，任務完成即進入空閑狀態。圖中所示系統中由于動態管理單元加入，功耗管理策略會根據任務隊列中的資源需求情況，動態調整系統資源分配及調度順序，在適當時候讓系統中的耗電較多的運算部件部分甚至全部進入極低功耗模式，只保留時鐘頻率低、耗電量小的功耗管理單元對所有任務隊列的狀態進行檢測，并在適當的時候將處于休眠狀態的運算部件喚醒，完成各種服務請求。由于無線傳感器網絡節點絕大部分時間處于偵聽狀態，其間，動態功耗管理策略可以讓其大部分計算資源處于休眠模式，從而極大地降低了系統功耗。

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??? 在我們的低功耗微處理器設計中，不但以硬件形式實現了以上的動態功耗管理策略，還專門設計了控制各種運算部件的低功耗模式的功耗管理專用指令，提供給上層的軟件編程接口。這樣用戶就可以根據需要定制自己的功耗管理策略，這就是軟硬件協同的動態功耗管理思想。在實現過程中，我們使用了時鐘門控和電源門控技術。它們是通過控制信號在需要的時候截斷電路的時鐘或電源，從而可以大幅度減小耗電。當然在電路設計中這些技術的實現都要面對一定的挑戰。特別是電源門控技術，它們可能會給邏輯綜合、物理設計、測試驗證及可測試性設計等帶來一系列問題，都需要認真加以解決。

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4.4 事件驅動的嵌入式實時操作系統

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??? 系統響應時間是無線傳感器網絡節點設計的重要參數，它體現在很多對實時性有要求的應用中。在面向事件驅動的微處理器上配備相應的基于事件驅動的嵌入式實時操作系統可以使得整個系統達到很好的實時性，所以我們結合節點的硬件資源及應用背景，在研究μC/OSII、RTLinux、μCLinux等多個操作系統的基礎上，借鑒并吸收它們的優點，開發了具有自主產權的嵌入式實時操作系統。該操作系統呈現為各個獨立模塊的組合：任務調度模塊、事件處理模塊、層次狀態機模塊、時間管理模塊、內存管理模塊、中斷管理模塊、驅動管理模塊等，這種模塊化的組織方式為基于調用圖的全局編譯優化提供了有力的保障。我們在任務處理中采用層次狀態機機制，每次任務運行時查看有無待處理的事件。如果有，則進行相應的處理，并進入下一個狀態。基于狀態機的處理使每個任務運行劃分為更小的狀態處理，極大地改善了事件響應時間，而且使事件處理更規范，不容易出錯。另外在存儲管理方面，由于無線傳感器網絡應用需求比較固定，因此一般應用不應使用動態內存管理，因為它可能導致大量內存碎片的產生，不利于系統長時間運行。但對于某些應用，提供可供選擇的固定塊大小的動態內存分配可以使總的內存需求最小。因此我們采用了動靜態相結合的存儲器管理策略，獲得了較好的存儲性能。

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4.5 基于調用圖的全局編譯優化機制

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??? 編譯優化是嵌入式系統研究的重要內容，也是難點。采用全局分析和優化能夠顯著提高程序的性能和降低功耗，但由于C/C++的程序開發基于分離的文件編譯和鏈接，編譯器的編譯單元是單個文件，這就限制了編譯器得到全局優化信息。而嵌入式系統實際運行的程序集合是固定的，因此對于編譯器采用全局分析和優化顯得特別有效。傳統的編譯分析局限于單個過程，對于過程間的分析進行得較少，因此不能夠確定過程調用的副作用，往往只能進行最保守估計。這就限制了編譯的優化，導致了更大的寄存器分配壓力和可能更大的訪問內存次數。很多情況下過程的參數是常數，如果采用全局優化，通過常量傳播算法，可使過程代碼得到較大的縮減。嵌入式系統存在許多小的過程調用，全局的過程內聯能夠節省大量的過程調用時間，并且可以使編譯器的調度優化區域得到擴大。

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??? 編譯器分析嵌入式系統的所有源文件，構建全局的過程調用圖，從根調用節點出發，遍歷調用圖，對不在此調用圖中的過程標記為死節點。在最終程序中不包含死節點，這樣可以保證只有被調用的過程才鏈入程序，可以減少系統的數據投影，這就是基于調用圖的全局編譯優化思想。這種全局優化的編譯技術克服了傳統的編譯分析僅限于單個文件和單個過程的缺點。針對無線傳感器網絡節點的數據和程序存貯器空間都十分有限的問題，增加了過程間的分析，通過使用常量傳播算法，可以使過程代碼得到較大的縮減。另外，對于嵌入式系統中存在的許多小的過程調用，全局的過程內聯能夠節省大量的過程調用時間，并且可以使編譯器的調度優化區域得到擴大。基于調用圖的全局編譯優化技術是基于組件的可配置軟件設計的基礎，可以使代碼獲得極大的優化。

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4.6 低功耗系統設計

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??? 軟硬件協同的低功耗系統LPS14（無線傳感節點就是一個LPS）按設計層次分為軟件設計、主板設計和處理器設計。按任務分為軟件設計、主板設計、低功耗微處理器設計、設計驗證、可測試性設計。主要軟硬件模塊關系如圖4所示：

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??? 我們將利用自行開發的微處理器芯片建立起無線傳感網絡的示范網，其拓撲結構如圖5中所示。星狀網拓撲結構是一個單跳（single-hop）系統，網絡中所有無線傳感器節點都與基站和網關進行雙向通信（圖5中A）。基站可以是一臺PC、PDA、專用控制設備、嵌入式網絡服務器，或其它與高數據率設備通信的網關。網絡中各節點基本相同。除了向各節點傳輸數據和命令外，基站還與Internet等更高層系統互相傳輸數據。各節點將基站作為一個中間點，相互之間并不直接傳輸數據或命令。在各種無線傳感器網絡中，星狀網整體功耗最低，但節點與基站間的傳輸距離有限，通常ISM15頻段的傳輸距離為10~30米。

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??? 網狀拓撲結構是多跳系統，其中所有無線傳感器節點都相同，而且直接互相通信，與基站進行數據傳輸和相互傳輸命令（圖5中B）。網狀網的每個傳感器節點都有多條路徑到達網關或其它節點，因此它的容故障能力較強。多跳系統比星狀網的傳輸距離遠得多，但功耗也更大，因為節點必須一直“監聽”網絡中某些路徑上的信息和變化。混合網力求兼具星狀網的簡潔和低功耗以及網狀網的長傳輸距離和自愈性等優點（圖5中C）。在混合網中，路由器和中繼器組成網狀結構，而傳感器節點則在它們周圍呈星狀分布，中繼器擴展了網絡傳輸距離，同時提供了容故障能力。由于無線傳感器節點可與多個路由器或中繼器通信，當某個中繼器發生故障或某條無線鏈路出現干擾時，網絡可在其它路由器周圍進行自組。

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圖5 無線傳感器網絡三種拓撲結構

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5 低功耗微處理器研究進展

??? 我們進行面向無線傳感器網絡的低功耗微處理器設計的目標是完成具有自主知識產權的低功耗微處理器研制；完成基于自主開發的低功耗微處理器無線傳感節點的研制；完成基于自主開發的無線傳感節點的示范性自組無線傳感器網絡的構建。在低功耗微處理器設計、嵌入式軟件設計、無線通信協議定制等方面有一定的創新，并進一步形成自己完整的知識產權。

??? 下面簡單介紹微處理器的技術及實現參數：
5.1 本項目低功耗微處理器主要技術要求：
??? a) 兼容AVR RISC指令集

• 123條指令，大部分為單周期指令
• 32個通用寄存器、64個I/O控制寄存器
• 片內128KB程序存儲器、4KB數據存儲器(可外擴至64KB)
• 在線可編程
  

??? b) 提供豐富的外圍設備接口

• 片內模擬比較器
• 可編程UART、I2C、SPI接口
• 可編程RTC16、看門狗、時鐘源及計數器
• 可編程RTC17、看門狗、時鐘源及計數器
• 8通道10位ADC
• 可編程PWM18
  

??? c) 先進的低功耗設計技術

（說明：本文除介紹我們自己的工作外，大部分來自于互聯網，難免引用不全或論述不準，敬請諒解，并與作者聯系，提出批評及意見。）

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